城市高架橋抗傾覆分析及改造方案研究

【中圖分類號】：U441 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）05-10-06

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.05.003

Research on Anti-overturning Analysis and Reconstruction Scheme of Urban Viaduct

CAIXiantangl，LIXinchun2

（1.GuangzhouDesignIstituteGroupCo.，td.，Guangzhou5oo，China;2GuangzhouMunicipalEngineeringDesignamp;Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 5100o0，China）

Abstract】：Combined with an exampleofanearlylarge-scaleurban viaduct，theanti-overturninganalysis of the singlecolumn pier ramp bridge was caried out bythe overturning axis method and the specification method.The differences of two calculation methods were studied，and the single-support column pier was transformed into a double-support slab pier to verifyitsanti-overturning stability.The results show that the conclusions of the two methodsarequitediferent，andthe anti-overturning momentof dead load is the main factorof the diferenceinstability coeficient.This effct is more significant in curved bridges，and the results ofthe specification method are more safe.After the transformation，the stability coeficient is greatly improved，which ensuresthe safetyofthe structure.However，the influencing factors ofthecoeficient increase of the two methods are diffrent.Combined with the typical disease researchof the main bridge pierand beamof the viaduct， it is foundthat inaddition to the classic single-column pier partialload overturning problem，the inclination， cracking of the pier and thedeviation ofthe beam mayalsolead tothe instabilityofthepierand the roll of the beam under severe conditions.In this project，comprehensive reconstruction measures such as bearing jack收稿日期：2025-04-29 基金項(xiàng)目：住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（2022-K-039） 作者簡介：蔡憲棠（1985一），男，碩士，高級工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作 ingto release secondary internal force，increasing section method to strengthen pier column and tie beam， adding capping beamand limiting block are adopted to effectively reduce the internal force of pier column and significantly improve the bearing capacity，and guarante the anti-overturning safety.

【Key words】：viaduct;anti-overturn;single-column pier ramp bridge

獨(dú)柱墩或小支座間距的板墩（如花瓶墩）具有占地面積較小、場地條件適應(yīng)性強(qiáng)、造型輕巧美觀等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于城市高架橋梁建設(shè)中。由于此類橋墩無法提供有效的抗扭約束或約束較弱，在上部結(jié)構(gòu)超載嚴(yán)重疊加偏載等不利情況下，可能導(dǎo)致支座脫空，若扭轉(zhuǎn)進(jìn)一步發(fā)展，甚至造成梁體傾覆垮塌[～2]。近年來發(fā)生的多起橋梁傾覆事故3，通常為脆性破壞，破壞前無明顯預(yù)警信號，易造成嚴(yán)重的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失，社會影響惡劣。JTGD62—2012《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》在征求意見稿中首次提出了抗傾覆穩(wěn)定性的計(jì)算判定方法及穩(wěn)定系數(shù)的要求4-5，將橋梁視為整體式剛體，引入了傾覆軸線的概念，在傾覆軸線兩側(cè)分別對應(yīng)傾覆及抗傾覆力矩，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保最小抗傾覆力矩大于最大傾覆力矩，并保有2.5的安全系數(shù)值。

現(xiàn)行JTG3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中提出了傾覆穩(wěn)定性的算法與規(guī)定，其判定依據(jù)仍然是穩(wěn)定作用效應(yīng) ?? 穩(wěn)定系數(shù) × 失穩(wěn)作用效應(yīng)，但取消了傾覆軸線的概念，考慮扭轉(zhuǎn)因素，比較成對支座在恒載下的抗扭作用與活載作用下對應(yīng)支座的傾覆力矩。

由于規(guī)范法與現(xiàn)有部分研究成果差異較大，驗(yàn)算方法仍然存在爭議°；且JTG3362—2018發(fā)布前設(shè)計(jì)的橋梁一般未進(jìn)行抗傾覆設(shè)計(jì)，或按當(dāng)時(shí)主流的傾覆軸線法概念進(jìn)行設(shè)計(jì)，這些橋梁在后續(xù)的安全評估、維修加固中存在標(biāo)準(zhǔn)不一致的難題，而已有研究中未見有將多種抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算方法以實(shí)例進(jìn)行比較分析的報(bào)道。基于此，本文結(jié)合某早期大型城市高架橋?qū)嵗瑢ζ溥M(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，對比分析了不同計(jì)算方法的差異，同時(shí)對存在傾覆安全隱患的匝道進(jìn)行改造處理，并進(jìn)行多方法的安全性驗(yàn)證，為此類高架橋梁抗傾覆穩(wěn)定性分析、加固處理及效果驗(yàn)證提供參考。

1橋梁抗傾覆安全性分析

1.1工程概況

某大型半首蓿葉形立交包括1座主線橋及4座匝道橋。立交主線全長 539m 寬 16m ，跨徑組合為 4× 20m+3×26.5m+11×20m+3×26.5m+4×20m;A 匝道橋長 130m 寬 10m ，跨徑組合為 20m+25m+2×20m+25 m+20m;B 匝道橋長 125m 、寬 6.5m ，跨徑組合為20 C匝道橋長 40m 寬 10m ，跨徑組合為 2×20m ；E匝道橋長 40m 寬 6.5m ，跨徑組合為 2× 20m 。上部梁體均采用鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋墩、薄壁橋臺。橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽-超20、掛-120，于1995年竣工。見圖1。

圖1橋梁平面布置

由于橋梁屬于較早期的大型高架橋，局部存在獨(dú)柱墩設(shè)計(jì)及墩柱傾斜開裂、梁體偏移等病害，需進(jìn)行全橋抗傾覆安全性評估及改造設(shè)計(jì)。

主橋標(biāo)準(zhǔn)段為雙柱墩，局部加寬段為三柱墩；墩柱間距較大，為 6m ；經(jīng)分析無獨(dú)柱墩式偏載傾覆問題，其主要病害為墩柱傾斜、開裂及梁體偏移，進(jìn)一步發(fā)展可能導(dǎo)致墩柱失穩(wěn)、梁體側(cè)傾，屬于廣義的傾覆問題。見圖2和圖3。

圖2主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

圖3主橋病害

匝道橋均設(shè)有獨(dú)柱墩，以其中較具代表性、抗傾覆能力較弱的C匝道現(xiàn)澆曲線梁橋?yàn)槔M(jìn)行分析。該聯(lián)橋梁位于半徑為 39.5m 的曲線上，邊支座間距3.3m ，中墩為單支座，未設(shè)置偏心。見圖4。

圖4A、C匝道橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

1.2匝道橋傾覆安全性分析

采用midas軟件進(jìn)行空間有限元分析，模擬彎梁橋曲率及支座橫向布置。考慮橋梁實(shí)際運(yùn)營情況，汽車活載采用現(xiàn)行城-A級荷載評估，C匝道橋?qū)Ρ群罂箖A覆最不利荷載工況為沿曲線外側(cè)邊緣布置單車道。見圖5。

圖5橋臺處偏載車道橫向布置

1.2.1傾覆軸線法

C匝道橋邊支點(diǎn)為雙支座，中支點(diǎn)單支座，由于曲率半徑較小，中支承點(diǎn)在橋臺曲線外側(cè)支承連線以外，因此傾覆軸線應(yīng)為中支點(diǎn)與橋臺曲線外側(cè)支承點(diǎn)的連線。見圖6。

圖6C匝道橋原橋傾覆軸線

抗傾覆安全驗(yàn)算

式中： k_qf 為傾覆安全系數(shù)； S_bk，i 、 S_sk，i 分別為使上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及失穩(wěn)的效應(yīng)值； R_Gki 為永久作用下，按全部支座有效的支承體系計(jì)算得到的各支座標(biāo)準(zhǔn)組合支反力； l_i 為各支座到傾覆軸線的垂直距離； q_k 為車道荷載中的均布荷載； 為車道荷載中的集中荷載； 為橫向加載車道與選取的傾覆軸線圍成的面積，圖6陰影區(qū)域； e 為橫向加載車道距選取的傾覆軸線間的最大值； μ 為汽車沖擊系數(shù)。

根據(jù)空間有限元分析提取的支反力進(jìn)行計(jì)算，得到M 2.5，滿足安全性要求。

1.2.2規(guī)范法分析

0-1、2-1支座均脫空時(shí)為特征狀態(tài)，抗傾覆安全驗(yàn)算

式中： k_qf 為傾覆安全系數(shù)； S_bk，i?S_sk，i 分別為穩(wěn)定效應(yīng)與失穩(wěn)效應(yīng)值； R_Gki 為永久作用下，按全部支座有效的支承體系計(jì)算得到的各失效支座（0-1、2-1支座）的標(biāo)準(zhǔn)組合支反力； R_Qki 為可變作用下，各軸失效支座，按全部支座有效的支承體系計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)組合支反力； l_i 為各軸脫空支座與有效支座間距。

計(jì)算得到 ；該計(jì)算模式活載作用下存在多種工況：在0-1支座負(fù)反力最大工況下， ，當(dāng)2-1支座負(fù)反力最大時(shí)∑ S_sk，i =2914kN?m，k_qf 分別為1.55、1.31，均小于2.5，不滿足安全性要求。

1.2.3傾覆軸線法與規(guī)范法的差異性分析

與傾覆軸線法相比，規(guī)范法取消了傾覆軸線的概念，以成對支座在恒載下的抗扭作用與活載作用下對應(yīng)支座的傾覆力矩進(jìn)行比較，避免了選取最不利傾覆軸線的問題，彎矩力臂簡化為成對支座間距的固定值，分析更為簡便。但規(guī)范法與傾覆軸線法特征狀態(tài)下邊界條件的考慮存在較大差異，在某一假想傾覆軸線外側(cè)存在支座時(shí)，由于該支座的支撐作用，形成三角暫態(tài)穩(wěn)定，傾覆體系改變，規(guī)范法中考慮為傾覆力的荷載在傾覆軸線法中可能轉(zhuǎn)化為抗傾覆力，這種差異在分析曲線梁橋時(shí)尤其明顯。假定極端條件下的小半徑曲線梁結(jié)構(gòu)，三軸均為單支座，在規(guī)范法中根據(jù)各軸支承系統(tǒng)判定該結(jié)構(gòu)為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；而在傾覆軸線法理論中，由于3個(gè)支座形成了穩(wěn)定的三角形，將梁體視為剛體，則該布置仍然可能是抗傾覆能力較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系。見圖7。

圖7傾覆軸線法與規(guī)范法差異性示意

2種方法穩(wěn)定性系數(shù)差異較大，甚至得到了完全相反的安全評估結(jié)論。對比計(jì)算過程分析其主要原因?yàn)椋涸诒緲驈澚鹤畈焕r下，傾覆軸線法中0-1、0-2支座部分恒載視為抗傾覆力，且力矩較大；規(guī)范法中，不計(jì)0-2支座部分的抗傾覆作用，0-1支座部分視為抗傾覆力，但力矩較小，因此其綜合抗傾覆力矩遠(yuǎn)小于傾覆軸線法，而二者失穩(wěn)效應(yīng)相當(dāng)。由此可知，恒載的抗傾覆力矩差異是引起安全系數(shù)差異的主要原因，且彎橋中該效應(yīng)更為明顯，規(guī)范法結(jié)果更為安全、保守。

1.2.4支座脫空判定及評估結(jié)論

判定支座是否脫空可根據(jù)有限元法，以基本組合驗(yàn)算并提取各支座反力，得到0-1支座最小支反力 -1025kN （受拉）2-1支座最小支反力-891kN（受拉），曲線內(nèi)側(cè)支座均存在脫空現(xiàn)象，且負(fù)反力值較大。綜合抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算，判定本匝道橋抗傾覆安全性不足。

1.3主橋墩柱病害分析

主橋病害分布典型特征：較嚴(yán)重的墩柱裂縫（最大 0.3mm ）集中分布在曲線梁段橋墩墩底（5～12軸），橫向裂縫方向相同，均位于曲線內(nèi)側(cè)；支座剪切變形及平移、梁體偏移（最大偏移量達(dá) 18cm 、墩柱傾斜（最大斜度約 1mm/2mΩ 則是向曲線外側(cè)。

從裂縫形態(tài)和位置判斷，這幾類病害原因相同且互相關(guān)聯(lián)：橋梁聯(lián)長較長且彎梁段位于該聯(lián)中間，在溫度力作用下，梁體變形在該處向曲線外側(cè)聚集，這點(diǎn)在橋梁季節(jié)性監(jiān)測中得到了驗(yàn)證——夏季變形量最大，冬季則有所回縮；同時(shí)，在曲線段橋梁車輛離心力亦是向外，且立交主線均采用板式橡膠支座，全線未設(shè)置橫向限位支座，橫向約束過弱，并伴隨支座的變形老化等原因，導(dǎo)致在水平荷載作用下上部梁體將發(fā)生累積的橫向爬移現(xiàn)象；而墩柱橫向裂縫及變形則是梁體傳導(dǎo)的橫向力長期作用于墩柱頂部所致。

墩柱傾斜、梁體偏移及支座平移均導(dǎo)致墩柱產(chǎn)生較大的附加彎矩，經(jīng)計(jì)算，考慮這部分荷載后，柱底抗裂驗(yàn)算及承載力均不滿足原設(shè)計(jì)荷載的使用要求，具有較大傾覆安全隱患；另外，梁體和支座較大的位移亦可能導(dǎo)致支座及楔塊滑出墩柱范圍，導(dǎo)致落梁事故。

2改造加固

2.1匝道橋獨(dú)柱墩改造

獨(dú)柱墩抗傾覆問題的處治關(guān)鍵是抗扭能力的加強(qiáng)，通常有以下改造方法9-10]：1）安裝抗拉支座，以解決支座脫空問題，并提供額外的抗傾覆力；2）在梁體與墩臺之間設(shè)置拉桿，與抗拉支座原理類似；3）梁體加寬，并調(diào)整支座間距；4）橋墩加寬或增加擴(kuò)大頭等，可將單支座轉(zhuǎn)化為多支座或加大支座間距。

本工程支座負(fù)反力計(jì)算值較大，不適宜采用抗拉支座或拉桿方案；梁體加寬法適合于墩柱有富余空間的情況；中墩原為獨(dú)柱墩，將其改造為多支承墩柱并根據(jù)計(jì)算優(yōu)化支座間距，達(dá)到反力重分配的目的，是適合本工程的方案。將墩柱表面鑿毛，植筋后按花瓶板墩樣式綁扎鋼筋，噴涂界面劑后澆筑成整體，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，對梁體進(jìn)行微頂升，安裝雙支座；原單支座可視新建墩柱承載力情況保留或作廢。

2.2主橋墩柱改造

由于離心力、溫度力、收縮徐變等微小殘余位移多年的積累，使橋梁出現(xiàn)較嚴(yán)重的墩柱傾斜、開裂及梁體偏移等病害，墩柱并非處于軸壓的理想狀況，墩底累積了較大的附加彎矩，同時(shí)現(xiàn)階段很難判斷曲線梁的“橫向爬移”是否已全部完成，且該過程難以通過有限元模擬。根據(jù)檢測報(bào)告，梁體偏位主要發(fā)生在曲線段的 5^*～12^* 墩柱，為防止主梁“橫向爬移\"再次發(fā)生，并改善墩柱受力，通過頂升變形較大的曲線段支座，將現(xiàn)狀橋墩上累積的橫向水平次內(nèi)力釋放，達(dá)到減小橋墩徑向受力的目的；現(xiàn)狀柱底裂縫及破損嚴(yán)重，采用增大截面法加固墩柱及系梁，增大墩柱承載能力，提高結(jié)構(gòu)整體性；對 5^*～12^* 橋墩加設(shè)蓋梁及限位擋塊，一方面設(shè)置了擋塊，可用以預(yù)防“橫向爬移”過快過大，防正落梁，另一方面，根據(jù)受力特點(diǎn)，增設(shè)蓋梁使原懸臂式的墩柱體系形成一個(gè)橫向整體剛架，可有效分擔(dān)及減小墩柱彎矩，改善橋墩受力。見圖8。

圖8主橋橋墩改造方案

3改造效果驗(yàn)證

3.1匝道橋傾覆安全性驗(yàn)證

3.1.1傾覆軸線法

C匝道橋中支點(diǎn)由單支座改造為雙支座，支座間距 2m 。見圖9。

單位：m

圖9C匝道橋改造后傾覆軸線

改造后， 傾覆安全系數(shù)提升為 6.08 。由于增設(shè)支座的作用，傾覆力作用面積 范圍減小，進(jìn)而傾覆力減小；同時(shí)抗傾覆力增加了1-1支座的作用，且其他支座與傾覆軸線的距離增大，綜合作用下抗傾覆能力得到加強(qiáng)。

3.1.2規(guī)范法驗(yàn)證

改造后， ；在可變作用下，0-1支座負(fù)反力最大工況下， ，當(dāng)1-1支座負(fù)反力最大時(shí) ，當(dāng)2-1支座負(fù)反力最大時(shí) ，傾覆安全系數(shù) k_qf 分別增大為3.36、2.94、2.92，均 gt;2.5 。改造后抗傾覆能力提升的原理與傾覆軸線法不同，原中墩無抗傾覆能力，改造后增加了該軸的抗傾覆力矩，總抗傾覆能力大幅提升；增設(shè)支座引起了反力重分布，傾覆力矩亦有所減小。

3.1.3支座脫空判定及驗(yàn)證結(jié)論

增設(shè)中支承后，各軸支座反力分布更為均勻，均未出現(xiàn)負(fù)反力，匝道橋抗傾覆能力有較大改善，滿足安全性要求。

3.2主橋墩柱改造效果

原橋墩柱直徑 1m ，主筋為28根 ?22mm 鋼筋，按原設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ023—85《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》及設(shè)計(jì)荷載進(jìn)行計(jì)算，綜合考慮汽車荷載、離心力、制動(dòng)力及溫度力等作用，按偏壓構(gòu)件驗(yàn)算墩柱，軸力及彎矩承載力分別為2844.5kN?1544.3kN?m ；改造后墩柱直徑加大為1.4m ，主筋采用29根 ?25mm 鋼筋，軸力及彎矩承載力分別為 7244.4kN?3822.2kN?m ，較改造前有大幅提高。同時(shí)，墩柱由懸臂式獨(dú)立墩改造為框架式墩，彎矩有較大程度降低，極限承載力狀況得到改善，裂縫寬度計(jì)算值由 0.198mm 降低為 0.064mm ，均滿足規(guī)范要求。其他構(gòu)件如蓋梁、樁基等亦滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4結(jié)論

1）從計(jì)算原理上介紹了2種橋梁抗傾覆穩(wěn)定性判定方法的特點(diǎn)，并結(jié)合某早期大型城市高架橋?qū)嵗瑢ζ溥M(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，并對比分析了不同計(jì)算方法的差異原因。結(jié)果表明，2種方法差異顯著，甚至可能得到完全相反的安全評估結(jié)論，恒載的抗傾覆力矩差異是引起安全系數(shù)差異的主要原因，該效應(yīng)在彎橋中更為顯著，規(guī)范法計(jì)算結(jié)果更偏于安全。

2）本工程匝道橋由于是獨(dú)柱墩設(shè)計(jì)，存在支座脫空、抗傾覆能力不足的風(fēng)險(xiǎn)，將其改造為雙支座板墩，并進(jìn)行多方法的傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)證，結(jié)果表明：改造后結(jié)構(gòu)抗傾覆安全性大幅提升。傾覆軸線法安全系數(shù)提高是由于傾覆力作用范圍減小、新增支座的抗傾覆力作用、支座與傾覆軸線距離增大等綜合作用；規(guī)范法安全系數(shù)提高主要原因?yàn)楦脑於湛箖A覆能力的增加，增設(shè)支座引起的反力重分布亦使傾覆力矩有所減小。

3）除常規(guī)的獨(dú)柱墩式偏載傾覆問題，結(jié)構(gòu)墩柱傾斜、開裂及梁體偏移在嚴(yán)重條件下亦可能導(dǎo)致墩柱失穩(wěn)、梁體側(cè)傾，屬于廣義的傾覆問題，往往容易被忽略，應(yīng)引起重視。

4）結(jié)合本工程高架橋主線墩梁典型病害，對其進(jìn)行原因分析，并針對性的采取了支座頂升釋放次內(nèi)力、增大截面法加固墩柱及系梁、增設(shè)蓋梁及限位擋塊等綜合處理措施，結(jié)果表明：改造后墩柱內(nèi)力減小而承載力大幅提高，橋梁安全性滿足規(guī)范要求，傾覆風(fēng)險(xiǎn)被消除。

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